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船舶AUTONET系统发展历史及其对科技的贡献——徐绍衡

来源:未知 发布时间:2018-11-05 19:40 类别:新闻在线

徐绍衡:船舶AUTONET系统发展历史及其对科技的贡献

江苏省舰船与海洋自动化工程研究中心首席专家

摘  要

船舶AUTONET系统是具有全自动通讯平台的DCS工业控制创新系统,与美国的MODBUS、RS485、RS232及欧洲的CAN人工编程通讯不同,平台通讯连接是数据库式全自动的,不需要人工编程,是中国自行发展的一种国家团体标准;以AUTONET平台开发了全功能PLC控制器PCC200,在船舶海洋全部设备的自动化系统中均成功应用,三十年来AUTONET发展了三代;本文叙述了AUTONET的结构及功能,介绍了AUTONET系统三代发展的历史和对科技的贡献,尤其第三代AUTONET以1Kb卫星微资源低成本实现了船舶1万个实时大数据上岸、数据毫秒级响应、岸站50万大容量数据库、组态接口高速监控及SQL接口智能大数据、并能够把船上50个摄像头音视大压缩25Kb带宽传输到岸上,国际领先,对船舶新科技“智能化船舶”发展意义重大;AUTONET一直保持多人开发团队及十多人的应用团队,在中国的船舶及军舰上大力应用,是中国船舶自动化系统自力更生发展的一支生力军。

 

Shipping AUTONET system develops history and its to science and technology's contribution

Xu Shaoheng

Jiangsu ship with ocean automatize engineering research center chief expert

Summary

Shipping AUTONET system is possess fully automatic communication platform 's DCS industrial control innovation systematically, With American MODBUS, RS485, RS232 and European CAN manpower programs communication different, Platform communication connects is data base style fully automatic, Not does need artificial program, Are China a kind of by oneself developing country groups standard, As AUTONET platform develop all function PLC manipulator PCC200, Average success application in at shipping ocean all equipment 's automation system; Come AUTONET develop three generations in 30, Text narrate AUTONET 's structure and function, Introduce AUTONET system three generations developing history and to science and technology 's contribution, Especially third generation AUTONET as 1Kb satellite slights source low cost accomplish shipping 10,000 real time big data landing, Data a millisecond grade response, Bank stands 500,000 high-capacity data bases, Groups form joint high-speed monitor and control and SQL joint intelligence big data, And is able to 50 pc camera tones consideration big compress 25Kb bandwidths transmit go onshore on a boat, International keep ahead of, To shipping new science and technology " Intelligentizes shipping " Develops significance significant, AUTONET all the time keeps many people develop troop and ten many people 's apply to troop, High power application on Chinese shipping and warship, Is China shipping automation system self-reliance developing a branch of troops.

 

船舶AUTONET系统是具有全自动免编程通讯平台的DCS工业控制创新系统,与美国的MODBUS、RS485、RS232及欧洲的CAN人工编程通讯不同,平台通讯连接是数据库式全自动的,不需要人工编程,是中国自行发展的一种现场总线国家团体标准,以AUTONET平台开发了全功能PLC控制器PCC200,在船舶海洋全部设备的自动化系统中均成功应用,三十年来AUTONET发展了三代,本文叙述了AUTONET的结构及功能,介绍了AUTONET系统三代发展的历史和对科技的贡献,尤其第三代AUTONET以1Kb卫星微资源低成本实现了船舶1万个实时大数据上岸、数据毫秒级响应、岸站50万大容量数据库、组态接口高速监控及SQL接口智能大数据、并能够把船上50个摄像头音视大压缩25Kb带宽传输到岸上,国际领先,对船舶新科技“智能化船舶”发展意义重大,AUTONET一直保持多人开发团队及十多人的应用团队,在中国的船舶及军舰上大力应用,是中国船舶自动化系统自力更生发展的一支生力军。

 

概    述

AUTONET第一代与第二代技术着重是船舶设备的全功能自动化监控,全功能PLC控制,首创了逻辑图式全功能PLC编程语言,比世界上PLC语言更直观方便,平台采用数据库式工作原理,局域网平台实现了全自动通讯,平台也可以无线远传,AUTONET平台实现了DCS高速大容量和分布数据库同步通讯全自动,数据库容量为64000点,数据动态响应为毫秒级,为船舶海洋设备的全面自动控制打好了基础,也为第三代船岸一体打好了船舶自动化基础。

第一第二代创新发明了分布数据库同步取代通信的原理,2000年申请了第一个发明专利ZL00125634.3,国际首创,其原理是:AUTONET平台每个节点的芯片内具有分布数据库,分布数据库实现平台高速同步,分布数据库取代总服务器数据库,从而实现了数据库平台工作时通讯流量为零,平台上仅有小带宽的同步流量,因此大大压缩了平台工作流量带宽,从而实现了平台的高速传输及大容量数据库。

第二代的主要设备是PCC200具有AUTONET平台的全功能PLC控制器,系统图如图1。

 

图1   PCC200监控系统图

第二代的PCC200全功能PLC控制器外形如图2。         图2 PCC200外形

AUTONET第三代是在前二代基础上,根据智能化船舶科技发展的需要,重点发展船岸一体大数据池这个智能船舶的基础技术,第三代AUTONET以1Kb卫星带宽微资源低成本实现了船舶1万个实时大数据上岸、数据动态毫秒级响应、岸站50万大容量数据库、大数据组态接口高速监控及SQL接口智能应用、并能够把船上50个摄像头音视信号大压缩为25Kb带宽传输到岸上,对智能船舶发展意义重大,AUTONET三十年来一直保持多人开发团队及十多人的应用团队,在中国的船舶及军舰上大力应用,是中国船舶自动化系统自力更生发展的一支生力军。第三代系统图见图3,岸站结构见图4.

船舶AUTONET系统在上世纪八十年代由于设备中文化,占领了国内本设备船舶配套市场80%;九十年代在科考船、民用运输船、海警船、军舰、海洋设备等大量应用,还在工业控制系统中应用;从黑龙江到曾母暗沙,2000年以后中国建造的大中型军舰上均使用AutoNet及PCC技术,在某超大型舰中央控制室五大系统中二大系统采用AutoNet与PCC200平台稳定可靠,在某大型登陆舰是综合平台,控制、指挥、安全、管理一体化,应用AutoNet及PCC200的设备在100多艘船舶与海洋设备上应用,安全航行于世界;PCC200模块已生产5000台技术成熟,产品长期稳定可靠,并经严格的军品与民品环境条件试验及电磁兼容试验完全合格【文献4】,远程网也是已广泛应用的成熟技术;AUTONET具有2项发明专利与4项实用新型专利,是船舶自动化技术的一个分支。

 

图3  第三代AUTONET系统图

图4   岸站结构框架

 

第一代AUTONET系统CX80

第一代AUTONET系统命名为CX80中文化船用监控系统及2+网络半自动可编程数据库平台,在世界中文电脑发明以前CX80就实现了船舶中文显示中文打印,获国家科技进步二等奖,国务院电子振兴一等奖,李鹏总理接见,安装了国内275艘船舶与军舰,占领国内造船配套市场80%,清华大学教材中作为国产自动化系统的实例。

CX80系统的平台称为2+网络(当时美国有3+网络),采用数据库原理,平台上所有节点的通信是可编程填写双向通信数据库,自动工作,是AUTONET的邹型,由于测量补赏数据库是可编程的,CX80作为监测报警系统装于“南运951”船,求新船厂检验测量误差为零,被誉为“世界上最好的测量系统”。

当时世界还没有发明中文电脑,CX80用ASCII字库自制了300个船用中文库,实现了中文显示及中文打印(该技术产权被日本人盗窃发明了硬汉库中文电脑),为中国船舶需求服务。

CRT显示及打印是可编程的,为以后的可编程PLC系统发展打下了基础。

第一代系统在工艺及可靠性方面存在缺陷,与进口产品无法相比,但为国产系统的发展取得了宝贵的经验,使第二代CJBW在6艘驱逐舰的安全系统上使用15年正常工作,达到进口设备的质量。

第一代还发明了单片机模块永不死机的方法,使第二第三代系统稳定可靠。

 

第二代的AUTONET系统CJBW

图5  井冈山舰

第二代AUTONET系统命名为CJBW及AUTONET分布数据库同步全自动通讯数据库平台,创建了组件式SIP芯片,依此开发了PCC200全功能PLC控制器,PLC控制语言为首创。从黑龙江到曾母暗沙,2000年以后中国建造的大中型军舰上均使用AutoNet及PCC技术;在某超大型舰机舱控制室五大系统中二大系统采用AutoNet与PCC200平台稳定可靠,数百台电动机均采用PCC200进行PLC控制,完全取代进口PLC;在某大型登陆舰是综合平台,控制、指挥、安全、管理一体化;某超大型舰辅助系统采用了AutoNet及PCC,用“热带”“寒带”“温带”指令可以同时群控数百个设备,自动化程度高,并稳定可靠;应用AutoNet及PCC200的设备在100多艘民用船舶与海洋设备上应用,安全航行于世界;PCC200模块已生产5000多台,技术成熟,产品长期稳定可靠,是CCS的认可产品(2003年证书)。

第二代设计定型了AUTONET芯片,设计了PCB及SIP组件式芯片,应用成熟,为第三代制作SOC芯片打好了基础;也设计定

型了具有平台的全功能PLC控制器PCC200,完善了工艺,完善了逻辑图式PLC语言,实现批量生产;获总装备部科技一等奖,国家科技二等奖。

第二代还把AUTONET推广到工业控制应用,设计了中国首套汽车轮胎帘子布生产线控制系统,获上海市科技二等奖,至今全国大量生产线应用,向越南等出口全套帘子布生产线设备。              

图6  集控室

 

第三代的AUTONET系统YSG

第三代AUTONET系统命名为YSG及AUTONET分布数据库同步全自动通讯数据库平台,创建了SOC芯片,这一代正在发展中,AITONET 组件式SIP芯片将变成SOC单芯片,全自动通讯的特点将发展成AUTONET云现场总线芯片,推广为工业控制的新型现场总线中国标准,同时AUTONET芯片将植入传感器,发展云平台全自动通讯智能传感器,原有的PCC200全功能PLC控制器将微型化,发展为军民融合的通用PLC控制器。中国(十三五计划)及(中国制造2025)的一大领域包括智能化船舶,AUTONET将发挥重大的作用。第三代的船岸一体功能已安装了“大洋一号”科研船与“港竣6号”挖泥船试用成功,技术上已验证没有问题。2016年申请了发明专利ZL201610836018.4。

第二代设计成功AUTONET芯片,使局域网平台上大大压缩带宽流量,使西门子PLC平台容量2000点扩展到AUTONET的64000点,平台数据动态响应大大提高到毫秒级,第三代船岸一体广域网平台正需要这个可贵的特点,在此基础上增加了“数据变化才发送”“模拟量变化超过精度才发送”“数据高速变化自动延时发送”三个措施,使平台上数据流量带宽压缩数万倍,港竣6号试用船证明:7000个动态数据上岸,卫星平台流量带宽平均小于1Kbps,数据动态响应小于500毫秒,岸站数据库容量可大于50万个库,实现了船岸一体化所需要的低带宽成本、大容量、高速响应的要求。

图7  7000数据带宽

船岸一体技术的应用需要大量的高带宽卫星,其技术实例:一个航母舰队全部设备的全部数据通过卫星互联,采用通讯需要158颗500Mb带宽的卫星,而采用AUTONET技术后只需要0.3颗卫星,我国拥有的有效卫星仅200颗,所以采用通讯不可能实现全    

部军舰、全部民用船舶、全部海洋设备的船岸一体平台,差距极大,只有采用AUTONET平台技术才能实现船岸一体平台应用,目前世界上无其它竞争产品,AUTONET是唯一的选择。

同时AUTONET大数据平台能实现很高的大数据可靠性:

(1)AUTONET系统同步报文小于60微秒,超短报文在卫星受干扰及卫星不稳定时,仍能正常工作,大数据非常可靠。

(2)卫星信号短时中断,不怕报文中断,恢复时马上补同步,实际观察几个月,非故障卫星信号中断时间最长不超过3分钟,影响很小,大数据非常可靠。

AUTONET是分布数据库同步,平台上无通讯,黑客抓不到数据。

同步报文可用动态密码加密,黑客无从着手。

远程向基层发数据采用二级加密,监控安全。

可用VSAT保密卫星与互联网隔离,安全。

VSAT卫星网络及4G5G移动网络全球覆盖,全球服务可靠。

大压缩使通讯费极低,所有数据均可远程上岸,易于实现大数据。

船舶黑匣子变白匣子,不再打捞黑匣子。

图8   多摄像头带宽

目前,中国1000吨以上的船舶均具有各种卫星设备,AUTONET是1Kbps的微带宽工作,均可加入使用,因此全面推广AUTONET大数据池,不必增加昂贵的卫星设备,从现在起,中国可以全面推广AUTONET大数据池,可以大大推进智能化船舶的发展进程,不再需要打捞数据黑匣子。

现代化需要摄像头音视系统,黑匣子也有音视黑匣子,AUTONET系统采用超大音视压缩:采用H265smart压缩、帧频0.5—15自动控制、高速切换使卫星通道里仅有一个摄像头信号通过,采用这三项措施后,船舶50个摄像头传到岸上,卫星带宽小于25Kbps,音视质量1280x720最大15帧,音视信号也能高质量低带宽传到岸上,也不必打捞音视黑匣子了。          

图9  港竣6号

第三代的AUTONET系统SOC芯片实际上是现场总线芯片,与CAN相当,但高速大容量,远程传输超低成本,驱动是变压器,比CAN隔离更好,SOC芯片成本只有CAN芯片的三分之一,所以AUTONET现场总线完全可以淘汰CAN欧洲现场总线,中国已经建立了AUTONET的国家团体标准,是中国标准的现场总线。

第三代的AUTONET芯片可以嵌入各种传感器,成为智能化平台传感器,发展前景远大。                                   

第三代AUTONET专门设计了“压缩罐”模块,一个压缩罐通道容量是输出1792点、输入60点,信号输入及输出经过6个CPU串行处理,有100多KB汇编软件包,中间经4

个数据库芯片转场,还包括了人工智能A1处理压缩处理,自动判断数据的属性,包括模拟量、开关量或快速变化数据,分别进行处理实现超大压缩;实时数据通过压缩罐,能最大压缩传输带宽数万倍;如数据超过1792点时,可以用多个压缩罐并联工作,输出及输入各用交换机并接,平台数据容量没有限制,可以在物联网、区块链、船舶、飞机等领域大力推广。

第三代AUTONET的先进性及国内外比较

AUTONET具有二个发明专利与四个实用新型专利,是国际首创;其指标:7千数据,卫星带宽小于1Kbps,数据动态500毫秒 ,遥遥领先于国内外设备;AUTONET已制订中国行业标准,准备交国际IMO,与日本竞争;世界第二地中海航运MSC集装箱船采用本平台 ;AUTONET核心技术已制成云现场总线芯片,国际先进。

从黑龙江到曾母暗沙2000年后建造的大中型舰均使用AUTONET ,某大舰几百台电动机均使用PCC200控制,完全取代进口PLC ,技术成熟。

因此,AUTONET为国际首创及国际领先。

国外来自上海国际航运中心的资料:2017年出厂的马士基18000箱智能化科研船,共2800个数据,每月卫星流量109GB,卫星费每月约25万美金,数据响应速度一分钟;国内港竣6号试用船7000个数据,卫星带宽小于1Kbps,数据响应速度小于1秒,每月卫星费约25元人民币(不包括图像);相对比较60000x2x60=7200000倍,其中数据量大于2倍,数据响应速度大于60倍,相差720万倍。

国内来自海兰信得报告:天津的安吉23号汽车运输船2017年试用大数据,共1400个数据,数据响应速度为十分钟,每月卫星费约6000元人民币;国内港竣6号试用船7000个数据,卫星带宽小于1Kbps,数据响应速度小于1秒,每月卫星费约25元人民币(不包括图像);相对比较240x5x600=720000倍,其中数据量约5倍,数据响应速度大于600倍,相差72万倍。

AUTONET的技术指标遥遥领先于国内外。

 

船舶AUTONET系统的历史贡献

AUTONET系统在中国创新发展了30年,在民用船舶、海洋设备、中大型军舰及工业控制中得到了大量应用,达到了国内外的先进水平,CCS也作为认可产品,国内六家厂的产品与此有关,促进了中国船舶自动化技术的发展,近期也为智能化船舶的发展、为(中国制造2025)作贡献,见文献【1】【2】【3】,是中国船舶自动化领域的一支重要的力量。

早期在世界中文电脑发明以前,CX80中文显示中文打印船用监测报警及主机遥控设备

占领了当时国内船舶配套市场80%,八十年代为中国船舶自动化技术的发展作出了贡献。

中期在100多艘民用船舶及海洋设备上应用,尤其在海警船舶上的主动力监控系统中

全面应用;2000年以后中国建造的大中型军舰安全系统也得到了全面应用,某大型舰数百台电动机的PLC控制全部应用PCC200,指挥中心用“热带”“寒带”“温带”三个指令能自适应控制全舰设备,自动化程度很高。

中期在工业控制得到了应用,在出口053军舰上也得到了应用。

后期由于智能化船舶的发展需要及(中国制造2025)计划的需要,AUTONET成为船

岸一体大数据池技术,已在二艘实船应用成功,压缩数万倍数据传输带宽,船上几十个摄像头也可低带宽传输到岸上,国内航道局、中海油集团、海洋科考、海军等均有应用意向,国外MSC地中海航运公司也将在二艘集装箱船上应用,国内外应用前景广阔,中国将制定基于AUTONET船舶大数据池的国家团体技术标准,以后不需要再打捞黑匣子。

5,将设计制造AUTONET系统SOC芯片,该芯片是现场总线的中国标准,比欧洲的CAN、美国的MODBUS,具有云连接现代化、高速大容量、大压缩低传输带宽等优点,将取代CAN等成为工业控制主流;同时AUTONET芯片嵌入传感器,发展平台式智能传感器,促进世界科技的大发展。

 

参考文献

【1】徐绍衡:九十年代船舶自动化技术的发展与展望          第5届国际轮机学术会议论文集 1991年

【2】徐绍衡:21世纪船舶自动化技术的最新发展        江苏科技大学学报(自然科学版)2014年6 期

【3】徐绍衡:超大压缩的远程大数据智能平台AUTONET    上海船舶智能能效国际高峰论坛(船舶)2018

【4】徐绍衡:具有全功能PLC的单层网络信息安全监控指挥管理平台 第十六届中国科协年会论文集2014

【5】OFweek:《工业控制系统信息安全正面临着严重的威胁》               OFweek工控网 2013-09-05

【6】徐绍衡:AutoNet信息平台及其在舰船上的应用    中国科学院文献中心“中国科技发展论坛”2004

【7】A Marine Fault-tolerant Micro-computer Control System     中国造船论文集(英文版)N02,1986

 

论文作者简介:  徐绍衡 1945年生,研究员,中国船舶设计大师,轮机、导航、船电、信

息与自动化专业,中国造船工程学会高级委员,江苏省舰船与海洋自动化工程研究中心首席

专家,江苏科技大学教授,哈尔滨工程大学教授,数字化造船国家工程实验室客座研究员,

常熟市电子仪器厂技术总监,

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